一、MEMS技術的興起

90年代初期興起的MEMS(微機電系統(tǒng))技術是微全分析系統(tǒng)領域發(fā)展的第一大里程碑，MEMS融合了微電子與精密機械加工技術，包含微傳感器、微執(zhí)行器及信號處理、控制電路等，利用三維加工技術制造微米或納米尺度的零件、部件或集光機電于一體，完成一定功能的復雜微細系統(tǒng)，是實現(xiàn)“片上系統(tǒng)”的發(fā)展方向。

MEMS技術的實質(zhì)是半導體工藝，可以將三極管的尺寸做到比硅粒還要小，利用該項技術可以研制出基于半導體工藝的一些器件，例如轟動一時的小型直升飛機、小型齒輪的推出等。MEMS技術最大的優(yōu)勢在于可將所有的器件不僅能夠呈現(xiàn)出一層，還可實現(xiàn)多層豐富的立體結構。

當今MEMS技術最有代表性的部件為壓力傳感器，MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路(IC)設計技術和制造工藝，進行高精度、低成本的大批量生產(chǎn)。相對于傳統(tǒng)的機械量傳感器，MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過1cm，使性價比相對于傳統(tǒng)“機械”制造技術大幅度提高。

二、MEMS與高分子化學技術的結合——“芯片實驗室”

第二大里程碑則是MEMS與高分子化學技術的結合。僅僅采用半導體工藝研制的芯片不能完全滿足化學家和生物學家的要求，化學材料芯片(即高分子芯片)的問世是微全分析領域的一項突破性進展，現(xiàn)已成為微全分析系統(tǒng)的核心器件。

Lab-on-a-chip(芯片實驗室)概念的提出

微全分析系統(tǒng)在應用上的貢獻則是90年代末期Lab-on-a-chip(芯片實驗室)概念的提出?！癓ab-on-a-chip” 是以芯片為平臺的微全分析系統(tǒng)，它是把生物和化學等領域所涉及的樣品制備、生物與化學反應分離與檢測等基本操作單元集成到一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學反應過程，并對其產(chǎn)物進行分析的一種技術。通俗言之，就是將生物實驗室、化學實驗室和醫(yī)學實驗室等搬到一個芯片上，取代實驗室中各種各樣的器件、管道等。目前主要通過微陣列和微流控這兩種方式來實現(xiàn)。

Lab-on-a-chip 概念一經(jīng)提出，迅速獲得全球科學和產(chǎn)業(yè)屆推崇，如：2004年9月美國Business 2.0雜志的封面文章稱，芯片實驗室是“改變未來的七種技術”之一。2001年創(chuàng)刊的《Lab on a chip》(芯片實驗室)期刊現(xiàn)在影響因子已達6.5。在2006年7月出版的《Nature》上，共發(fā)表了包含有7篇述評文章的“芯片實驗室”專輯，非常系統(tǒng)地敘述了微流控芯片的研究歷史、現(xiàn)狀和應用背景。

三、將微流控技術應用于生物醫(yī)學的研究領域

疾病診斷和藥物篩選是現(xiàn)代生物醫(yī)學研究中的兩個重要課題，對提高人類的健康水平和生活質(zhì)量起著至關重要的作用。我國作為一個發(fā)展中的人口大國，面臨很大的醫(yī)療衛(wèi)生方面的壓力，迫切需要發(fā)展快速準確的疾病診斷新方法和研發(fā)高通量高內(nèi)涵新藥。藥物篩選是新藥開發(fā)的關鍵步驟，細胞水平篩選因其更接近于生理條件，準確率高，干擾因素少，正逐步成為藥物篩選的主流。

微流控快速在線酶解技術

復旦大學楊芃原教授向我們介紹了由其課題組開發(fā)的微流控快速在線酶解技術。酶解是蛋白質(zhì)組分析的重要前處理方法，傳統(tǒng)的酶解常需在37℃下進行12小時(即過夜)，在蛋白質(zhì)組學研究中是一個耗時較長的過程。課題組創(chuàng)新地將酶用介孔材料固定在微流控分析芯片上，大大增加了酶和蛋白的碰撞次數(shù)，反應速率提高1000倍，酶解時間由原先的12小時縮短到只需2秒的時間，實現(xiàn)了微流控芯片上的高通量快速在線酶解，并大大減少了耗樣量。這對于實現(xiàn)高通量、高靈敏度的蛋白質(zhì)組學研究是一項顯著的技術革新。

用微流控芯片研究腫瘤細胞

微流控芯片已被證實的一大應用是研究細胞(比如腫瘤細胞)和環(huán)境的相互作用。每個人達到一定的年齡階段，都有發(fā)生細胞癌變的可能，腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移往往是導致死亡的主要原因，目前在臨床上的主要手段就是當腫瘤長到一定程度快轉(zhuǎn)移時，將其割掉，但大多數(shù)病人的存活期還是非常短。隨著現(xiàn)代醫(yī)學技術的發(fā)展，人類希望能夠和腫瘤細胞和平共處，因此希望能研究清楚腫瘤細胞在什么環(huán)境下可以保持較為惰性的狀態(tài)，甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

楊教授課題組從人類干細胞的研究中得到很多啟示，比如人類干細胞通過適當改造可以具有逆轉(zhuǎn)的趨勢，而腫瘤組織中存在的某些癌細胞，在腫瘤形成過程中可充當干細胞的角色。課題組主要利用芯片來培養(yǎng)癌癥細胞，通過觀察癌癥細胞的各種反應，以及和其它細胞之間的相互作用，來研究腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、復發(fā)和轉(zhuǎn)移的機制，試圖來Educate(教會)腫瘤細胞如何轉(zhuǎn)換成良性。